Cercetătorii ORNL folosesc nanofibre termoplastice pentru a întări compozitele

Cercetătorii de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie au dezvoltat o metodă care demonstrează cum materialele compozite polimerice armate cu fibre utilizate în industria auto, aerospațială și a energiei regenerabile pot fi făcute mai puternice și mai dure pentru a rezista mai bine la solicitările mecanice sau structurale în timp.

Compozitele sunt puternice și ușoare în comparație cu omologii lor metalici. De asemenea, sunt rezistente la coroziune și oboseală și pot fi adaptate pentru a îndeplini cerințele specifice de performanță industrială. Cu toate acestea, ele sunt vulnerabile la deteriorarea cauzată de efort, deoarece două materiale diferite – fibre rigide și o matrice moale sau o substanță de liant – sunt combinate pentru a le face. Interfaza dintre cele două materiale trebuie îmbunătățită din cauza influenței sale asupra proprietăților mecanice generale ale compozitelor.

Echipa de cercetare a depus nanofibre termoplastice pentru a crea chimic o rețea de susținere care întărește interfaza. Tehnica lor diferă de metodele convenționale de acoperire a suprafețelor fibrelor cu polimeri sau de furnizare a unei schele rigide pentru a îmbunătăți legătura dintre fibră și matrice, care s-au dovedit a fi ineficiente și costisitoare.

O lucrare cu acces deschis care detaliază această cercetare condusă de ORNL este publicată în Advanced Science .

O ilustrare schematică a interfazei matrice-fibră cu nanofibre PAN (≈0,35-µm-diametru) depuse pe suprafața fibrei de carbon cu ≈5-µm-diametru, creând o arhitectură ierarhică legată covalent cu matricea ABS. A fost efectuat un test de rezistență la forfecare în plan pentru a caracteriza proprietățile interfațale ale compozitelor. În timp ce curba reprezentativă de încărcare-deplasare a compozitelor curate (adică compozitele fără nanofibre ierarhice) prezintă un comportament slab (curbă albastră), compozitele îmbunătățite cu nanofibre sunt mai dure cu o muncă mai mare de delipire a matricei fibrelor (curbă roșie). Legătura C─N formată între PAN și ABS a dus la o interfază co-continuă între fibra de miez și matrice, rezultând compozite mai puternice și mai dure. Gupta şi colab.

Sumit Gupta de la ORNL, autorul principal, a spus că el și echipa au selectat cu atenție nanofibrele și materialul matricei pentru a crea schele cu suprafață mare sau punți ca cale de transfer a sarcinii, un mecanism prin care stresul este trecut între fibrele de armare și matricea înconjurătoare. material.

Procesul nostru permite materialului să reziste la stres mai mare. Folosind această abordare simplă, scalabilă și cu costuri reduse, putem crește rezistența compozitelor cu aproape 60% și duritatea cu 100%. Sumit Gupta

Christopher Bowland de la ORNL, autorul corespondent, a spus că cercetările viitoare se află în diferite sisteme de fibre și matrice care au grupuri chimice compatibile, iar cercetătorii intenționează să efectueze mai multe studii asupra nanofibrelor însele pentru a le crește rezistența.

p>Acest studiu face parte din programul de bază pentru compozite nou înființat 2.0 din Programul de tehnologie a materialelor de la Biroul de tehnologii pentru vehicule din cadrul Biroului pentru eficiență energetică și energie regenerabilă (VTO-EERE) al DOE. Programul, condus de ORNL împreună cu laboratoarele participante Pacific Northwest National Laboratory și National Renewable Energy Laboratory, se străduiește să sporească eficiența vehiculelor prin dezvoltarea de materiale avansate.

Echipa de cercetare a folosit resursele instalației pentru utilizatori de Compute and Data Science de la ORNL pentru studii computaționale pentru a înțelege forțele fundamentale de legătură. Echipa a folosit, de asemenea, microscopia cu forță atomică la Centrul pentru Științe ale Materialelor Nanofază, sau CNMS, pentru a caracteriza rigiditatea sau rigiditatea interfazei proiectate. CNMS este o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science la ORNL.